賈尚帥,張磊磊,潘德闊,宋雷鳴
(1 中車唐山機(jī)車車輛有限公司,河北唐山 063035;2 北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京 100044)
高速列車車內(nèi)噪聲主要包括輪軌滾動(dòng)噪聲、氣動(dòng)噪聲、轉(zhuǎn)向架等部位引起的振動(dòng)噪聲以及牽引電機(jī)、壓縮機(jī)等設(shè)備噪聲[1],研究列車各結(jié)構(gòu)的噪聲貢獻(xiàn)度,確定車內(nèi)噪聲的主要來源、傳遞路徑,為研究如何降低車內(nèi)噪聲提供了一定的理論依據(jù),具有重大的學(xué)術(shù)意義。
各國(guó)學(xué)者對(duì)車內(nèi)噪聲面板貢獻(xiàn)度分析做了大量的研究工作,早在1995 年福特公司的工程師結(jié)合試驗(yàn)提出了面板貢獻(xiàn)分析的概念,WOLFF 和SOTTEK 通過汽車試驗(yàn)測(cè)得了壁板的聲學(xué)貢獻(xiàn)度,為研究降低車內(nèi)噪聲提供了理論依據(jù)[2];WU基于Helmholtz 方程最小二乘中的NAH 分析了汽車車內(nèi)腔體的面板聲學(xué)貢獻(xiàn)[3];西北工業(yè)大學(xué)的惠巍等人根據(jù)汽車試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到了內(nèi)飾側(cè)板對(duì)人耳處聲壓的貢獻(xiàn)度[4];韓波等人基于聲學(xué)傳遞向量方法研究了駕駛室面板聲學(xué)貢獻(xiàn)度,分析得出引起駕駛室聲壓峰值響應(yīng)的主要因素是正貢獻(xiàn)面板[5]。
文中將車體的中空型材等效成sandwich 板,建立了車體等效結(jié)構(gòu)仿真模型,并進(jìn)行噪聲仿真預(yù)測(cè),計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的一致性?;谲圀w等效仿真模型,通過跟蹤車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)中輸入的凈功率流,獲得端部腔體內(nèi)測(cè)試點(diǎn)噪聲的來源,進(jìn)而得到噪聲面板的貢獻(xiàn)度。
所謂統(tǒng)計(jì)能量分析法[6],就是推導(dǎo)所劃分的車體空腔子系統(tǒng)之間的功率流動(dòng)關(guān)系,然后建立平衡方程,求解得到系統(tǒng)之間的響應(yīng)反饋。在對(duì)子系統(tǒng)做統(tǒng)計(jì)能量分析時(shí),假定各子系統(tǒng)的共振模態(tài)特性相同,對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行劃分后,由于每個(gè)所劃分的子系統(tǒng)均是由受到的外部激勵(lì)聲能量、自身系統(tǒng)消耗的能量以及子系統(tǒng)間相互流入的能量組成,無論子系統(tǒng)間的能量如何傳遞,它們之間的相對(duì)平衡構(gòu)成了系統(tǒng)的能量守衡。功率在簡(jiǎn)單的2個(gè)聲腔子系統(tǒng)內(nèi)的基本流動(dòng)關(guān)系,如圖1 所示。
圖1 子系統(tǒng)間的功率流動(dòng)關(guān)系
根據(jù)圖1 呈現(xiàn)的功率流動(dòng)關(guān)系,建立兩子系統(tǒng)間的功率流平衡方程為式(1):
式中:P1、P2表示流入子系統(tǒng)1、2 的能量;P1d、P2d表示系統(tǒng)1、2 中自身的能量損耗;P12表示能量從子系統(tǒng)1 流入到子系統(tǒng)2;P21表示能量從子系統(tǒng)2 流入到子系統(tǒng)1。
由于高速列車車體結(jié)構(gòu)大而復(fù)雜,計(jì)算頻率范圍寬,將會(huì)導(dǎo)致模型網(wǎng)格數(shù)量龐大,仿真時(shí)間過長(zhǎng),并且影響中低頻段的分析精度,因此進(jìn)行車體的中空型材等效。文中利用文獻(xiàn)[7]中結(jié)構(gòu)等效建模的方法,將車體中空型材等效成sandwich 板,遵循等效前后板結(jié)構(gòu)的材料、厚度相同,并且動(dòng)態(tài)特性誤差控制在10%范圍之內(nèi),以實(shí)現(xiàn)建模簡(jiǎn)化,提高建模精度。
文中采用“車體型材—夾層腔—內(nèi)飾板”多層模型結(jié)構(gòu),使得仿真更貼近于實(shí)際,從而保證了模型的仿真性。
在子系統(tǒng)劃分過程中,充分考慮相關(guān)子系統(tǒng)之間的影響,將子系統(tǒng)模態(tài)密度整體化,以提高仿真分析精度。
依據(jù)座椅位置以及乘客站姿和坐姿時(shí)人耳的位置,沿垂向?qū)④圀w內(nèi)室空間切分成4 層,從下往上依次是座椅位置、坐姿位置、站姿位置和頂部聲空腔。再根據(jù)列車車內(nèi)橫向的噪聲分布規(guī)律,將車內(nèi)腔體空間分成3 層。結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)特征,沿縱向?qū)⒅虚g車的客室切分為3 部分,包括客室一位端、客室中部以及客室二位端。
根據(jù)上述切分原則確定的分割截面對(duì)車內(nèi)聲腔進(jìn)行劃分,并對(duì)車體表面施加聲激勵(lì)。建模示意圖及車內(nèi)聲腔截面如圖2 所示。
圖2 建模示意圖及車內(nèi)聲腔截面
建立的仿真模型將采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。通過上述仿真建模與分析驗(yàn)證方法,保證功率流分析的準(zhǔn)確。
激勵(lì)源及模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)為大西線列車速度350 km/h 運(yùn)行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),仿真端部與試驗(yàn)端部的對(duì)比曲線如圖3 所示。
圖3 仿真端部與試驗(yàn)端部頻譜曲線
在100~1 000 Hz 頻帶內(nèi),中間車客室端部頻譜的噪聲仿真數(shù)值和試驗(yàn)數(shù)值有著相同的變化趨勢(shì)。在250 Hz 頻帶內(nèi),仿真端部的聲壓級(jí)比試驗(yàn)值大3.72~3.78 dB;在800 Hz 頻帶內(nèi),仿真端部的聲壓級(jí)比實(shí)測(cè)值小3.8 dB,其他頻帶內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)誤差均控制在5% 以內(nèi)。綜上,文中所建立的車體NVH 等效模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的一致性,可以進(jìn)行列車車內(nèi)環(huán)境的噪聲預(yù)測(cè)。
根據(jù)車體等效結(jié)構(gòu)仿真模型,計(jì)算出腔內(nèi)子系統(tǒng)在施加外部聲激勵(lì)下產(chǎn)生的聲能量,分析獲得噪聲在列車車內(nèi)的分布特性。以上述仿真模型為基礎(chǔ),通過跟蹤車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)中輸入的凈功率流,獲得列車端部腔體內(nèi)測(cè)試點(diǎn)噪聲的來源,進(jìn)而得到車內(nèi)各噪聲面板的貢獻(xiàn)度。
依據(jù)聲學(xué)功率流跟蹤法原理,得到車內(nèi)各內(nèi)飾板的噪聲貢獻(xiàn)度,具體如下:
首先根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量分析法,建立功率流動(dòng)的關(guān)系方程,求解獲得所劃分各聲腔的聲能量Ei,計(jì)算出對(duì)第i個(gè)空間腔體子系統(tǒng)的噪聲貢獻(xiàn)度,步驟如下:
(1)以聲腔子系統(tǒng)i的聲能量傳遞為例進(jìn)行分析。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)中與子系統(tǒng)i耦合的系統(tǒng)共有k個(gè),那么k個(gè)聲腔子系統(tǒng)作用于子系統(tǒng)i的凈功率流為式(2):
式中:Psij表示從聲腔子系統(tǒng)j中流向i的凈功率流,Psij的正負(fù)分別表示功率流的流入、流出。
(2)選取凈功率流Psij>0 的項(xiàng),并進(jìn)行累加計(jì)算,可得到k個(gè)聲腔子系統(tǒng)對(duì)子系統(tǒng)i的總凈輸入功率流為式(3):
得出,第j個(gè)車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)對(duì)第i個(gè)的噪聲貢獻(xiàn)度可表示為式(4):
(3)重復(fù)步驟(1)(2),分別計(jì)算系統(tǒng)中對(duì)第k個(gè)聲腔子系統(tǒng)的凈輸入功率,直至獲得相關(guān)聯(lián)聲腔子系統(tǒng)的輸入功率。
(4)通過對(duì)車內(nèi)子系統(tǒng)功率流進(jìn)行追蹤,可以得到聲腔子系統(tǒng)i與車內(nèi)各個(gè)面板之間的功率流傳遞關(guān)系。假設(shè)聲能量傳遞到車內(nèi)面板s,或者與輸入功率Pk存在聯(lián)系的傳遞路徑共有N條,并且每條都有M條子路經(jīng),可得其對(duì)空間子系統(tǒng)i的噪聲貢獻(xiàn)度為式(5):
式(5)表示第n條路徑中m層的聲能量貢獻(xiàn)度。
為進(jìn)一步說明子系統(tǒng)功率流追蹤法的原理,將車體內(nèi)飾空間子系統(tǒng)簡(jiǎn)化為斷面子系統(tǒng),如圖4所示。由斷面子系統(tǒng)分布圖可知:該系統(tǒng)模型共由40 個(gè)子系統(tǒng)組成,包括14 個(gè)內(nèi)飾板子系統(tǒng),12個(gè)聲腔子系統(tǒng),14 個(gè)聲能量輸入。
圖4 斷面子系統(tǒng)分布圖
以子系統(tǒng)1 為例,計(jì)算車體內(nèi)飾板對(duì)子系統(tǒng)1的噪聲貢獻(xiàn)度,具體步驟如下:
(1)根據(jù)列車斷面子系統(tǒng)分布示意圖,建立SEA 平衡方程,求解得到斷面聲腔子系統(tǒng)的聲能量Ei為式(6)。
式中:Pn代表系統(tǒng)的功率輸入;ηn表示能量損耗因子;ηn1表示耦合損耗因子。
(2)根據(jù)式(2),求出車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)中2、3、4、5 對(duì) 聲 腔 子 系 統(tǒng)1 的 輸 入 凈 功 率 流 表 示為式(7):
若凈功率流Ps1j>0,則保留該項(xiàng);若Ps1j≤0,則舍去。假定輸入的凈功率流Ps1j皆大于0,累加計(jì)算后可得聲腔子系統(tǒng)1 的總凈功率流,將其表示為式(8):
則 有,2、3、4、5 子 系 統(tǒng) 對(duì) 子 系 統(tǒng)1 的 貢 獻(xiàn) 度為式(9):
(3)以聲腔子系統(tǒng)2、3、4、5 中對(duì)子系統(tǒng)1 有大于0 的凈功率流項(xiàng)為基礎(chǔ),通過計(jì)算得到聲腔子系統(tǒng)2、3、4、5 的凈功率流。假設(shè)凈功率流Ps1j皆為正,則有式(10):
有 子 系 統(tǒng)i(i=2、3、4、5)的 總 凈 功 率 流 為式(11):
(4)若 凈 功 率 流Psij>0 (i=2、3、4、5,j=6、7、8、9、11、18、21、24),則 保 留 該 子 系 統(tǒng),Psij≤0舍去。
以車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)j(j=6、7、8、9、11、18、21、24)中對(duì)子系統(tǒng)i(i=2、3、4、5)有大于0 的凈功率流輸出項(xiàng)為前提,進(jìn)行功率流計(jì)算。當(dāng)聲能量經(jīng)過內(nèi)飾板子系統(tǒng)18、21、24 時(shí),終止傳遞。此時(shí),假設(shè)其他輸入凈功率流皆大于0,有式(13):
到子系統(tǒng)i的凈功率流為式(14):
(5)以 聲 腔 子 系 統(tǒng)j(j=13、14、15、16、26)中 對(duì)子系統(tǒng)i(i=10、11、12) 有Psij>0 的凈功率流的項(xiàng)為前提,確定聲腔子系統(tǒng)的功率流大小。當(dāng)聲能量 經(jīng) 過 內(nèi) 飾 板 子 系 統(tǒng)13、14、15、16、26 時(shí),終 止 傳遞。假設(shè)凈功率流Ps1j皆為正,則有式(16):
子 系 統(tǒng)i(i=10、11、12)的 總 凈 功 率 流 為式(17):
子系統(tǒng)i對(duì)子系統(tǒng)j的貢獻(xiàn)度為式(18):
式(6)根據(jù)下述計(jì)算方法,可以求得面板13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26 對(duì)子系統(tǒng)1 的面板貢獻(xiàn)度:
客室端部(轉(zhuǎn)向架處)區(qū)域乘客坐姿時(shí),人耳在距地板1.2 m 高度處功率流傳遞如圖5 所示。由圖可知,人耳在1.2 m 高度處腔體的聲功率流主要來自于下側(cè)腔體,而下側(cè)腔體的聲功率流主要來自于車內(nèi)的內(nèi)飾地板。通過分析車內(nèi)內(nèi)飾板的凈輸入功率流,可得:客室端部的振動(dòng)噪聲主要來自于轉(zhuǎn)向架區(qū)的車體內(nèi)飾地板。
圖5 功率流傳遞示意圖
根據(jù)車體等效結(jié)構(gòu)仿真模型,結(jié)合上述功率流追蹤法的求解原理,計(jì)算出車體內(nèi)飾板(包括側(cè)墻板、頂板、地板)對(duì)客室端部上方區(qū)域測(cè)點(diǎn)及中部區(qū)域測(cè)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)度,見表1 所示。
表1 端部各內(nèi)飾板噪聲貢獻(xiàn)度 單位:%
衡量350 km/h“復(fù)興號(hào)”高速列車車內(nèi)乘坐舒適性的一項(xiàng)重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是對(duì)車內(nèi)噪聲的控制度。文中建立車體等效結(jié)構(gòu)仿真模型,跟蹤車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)中輸入的凈功率流,獲得了端部腔體內(nèi)測(cè)試點(diǎn)噪聲的來源,進(jìn)而確定了端部各面板的噪聲貢獻(xiàn)度,為研究車內(nèi)噪聲控制提供了理論基礎(chǔ)。
根據(jù)功率流追蹤法的求解原理,分析計(jì)算出車體各內(nèi)飾板對(duì)客室端部上方區(qū)域測(cè)試點(diǎn)及中部區(qū)域測(cè)試點(diǎn)的噪聲面板貢獻(xiàn)度,結(jié)果表明:列車客室端部的聲能量貢獻(xiàn)度主要來源于轉(zhuǎn)向架區(qū)域的車體內(nèi)飾地板。